レーダー: 静かな警戒の反響、テクノロジーの監視役の登場

By Fouad Sabry

レーダーとは

レーダーは、電波を使用して、対象物までの距離（測距）、方向、および視線速度を測定するシステムです。これは、航空機、船舶、宇宙船、誘導ミサイル、自動車の探知と追跡、気象形成、地形の地図作成に使用される無線測位方法です。

メリット

(I) 次のトピックに関する洞察と検証:

第 1 章: レーダー

第 2 章: フェーズド アレイ

第 3 章: ドップラー レーダー

第 4 章: 合成開口レーダー

第 5 章: 方向探知

第 6 章: アクティブ電子走査アレイ

第 7 章: パルス繰り返し周波数

第 8 章: イメージング レーダー

第 9 章: レーダーの歴史

第 10 章: パルス ドップラー レーダー

(II) レーダーに関する一般のよくある質問への回答レーダー。

この本は誰向けですか?

専門家、学部生、大学院生、愛好家、趣味人、そしてあらゆる種類のレーダーに関する基本的な知識や情報を超えたい人。

 

• Language: 日本語
• Publisher: 10億人の知識があります [Japanese]
• Release date: Jun 20, 2024

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第1章:レーダー

レーダーは、電波を利用して距離、方位角、視線速度を測定する無線測位システムです。気象パターンや地形の特徴をマッピングし、空中、海上、宇宙船、誘導ミサイルや自動車を検出して追跡することができます。レーダーシステムは、無線またはマイクロ波範囲の電磁波を生成する送信機、信号を送受信するためのアンテナ(多くの場合、両方に同じアンテナが使用されます)、およびデータを分析するための受信機とプロセッサで構成されています。物体の位置と速度は、送信機から送信され、受信機に反射して戻ってくる電波(パルスまたは連続)を使用して決定できます。

いくつかの国は、第二次世界大戦前、戦中、戦後に軍事利用のために秘密裏にレーダーの開発に取り組んでいました。英国で発明されたキャビティマグネトロンは、サブメートルの精度が可能なコンパクトなシステムの開発を可能にしました。もともとは「Radio Detection and ranging」の頭文字をとった「RADAR」という用語は、1940年に米国海軍によって作成されました。それ以来、レーダーは英語やその他の言語の普通名詞になり、その最初の大文字化は削除されました。

航空および地上交通管制、レーダー天文学、防空、ミサイル迎撃システム、ランドマークや他の船舶の位置を特定するための海洋レーダー、航空機の衝突防止システム、海洋監視システム、宇宙空間監視およびランデブーシステム、気象降水量監視、高度計および飛行制御システム、誘導ミサイル目標位置特定システム、自律走行車、および地中レーダーは、レーダーの多くの最新のアプリケーションのほんの一部です。非常にノイズの多い環境から有用な情報を抽出するために、最新のハイテクレーダーシステムはデジタル信号処理と機械学習を使用しています。

電磁スペクトルの異なる部分をレーダーに使用する同様のシステムが存在します。ライダーはそのような技術の1つであり、電波ではなく赤外線レーザー光を使用するという点でレーダーとは異なります。自律走行車が市場に参入するにつれて、レーダーは車両が周囲を監視し、事故を回避するのに役立つ可能性があります。

ドイツの物理学者ハインリッヒ・ヘルツは、1886年に電波の反射率を実証しました。1895年、クロンシュタットのロシア帝国海軍学校の物理学講師アレクサンドル・ポポフは、コヒーラー管を使って、遠距離からの落雷を探知できる装置を作った。翌年にはスパークギャップ送信機が追加されました。1897年、バルト海で2隻の船間の通信を容易にするためにこの技術の試験を行っていたとき、3隻目の船の通過によってもたらされる干渉ビートに気づきました。ポポフは報告書の中で、この現象を物体検出に利用する可能性について言及したが、このアイデアはフォローアップしなかった。1920年代には、電離層探査や長距離雷探知などの無線技術を使用して、英国の研究機関を多くのブレークスルーに導きました。短波伝送に目を向ける前、ワトソン・ワットは雷の実験を通じて無線方向探知の専門家になりました。彼は研究のために優れた受信機を必要としていたため、「新人」であるアーノルド・フレデリック・ウィルキンスに、市場で最高の短波受信機を調べるように指示しました。総合郵便局モデルのマニュアルに記載されている「フェージング」効果(当時の干渉の一般的な用語)について読んだ後、ウィルキンスは彼の選択をしました。

アメリカ海軍の科学者A・ホイト・テイラーとレオ・C・ヤングは、1922年に大西洋を横断し、ポトマック川の対岸に送信機と受信機を設置し、船がビームパスを通過する際に受信信号がフェードインしたりフェードアウトしたりするのを観察し、この発見をしました。海軍はテイラーの報告をすぐには追及しなかったが、テイラーの報告は、この現象が視界の悪い艦艇の存在を探知するために利用できることを示唆した。この現象は、8年後に海軍研究所(NRL)の研究者であるローレンス・A・ハイランドによって初めて発見されました。

現代のレーダーは、第二次世界大戦前に、イギリス、フランス、ドイツ、イタリア、日本、オランダ、ソビエト連邦、アメリカの科学者によって、独自に秘密裏に開発されました。第2次世界大戦前にイギリスがレーダー開発をリードしたのに続き、カナダ、ニュージーランド、南アフリカも同様で、ハンガリーも紛争のさなかに独自のレーダー技術を開発した。

1934年、フランスでは、スプリットアノードマグネトロンに関する広範な研究の後、モーリス・ポンテとアンリ・ガットンが率いるCompagnie générale de la télégraphie sans fil(CSF)の研究部門は、言い換えると、「シルヴァン・ベルリーヌとM.

ヒューゴンは、1935年に無線ベースの障害物探知システムに取り組み始め、遠洋定期船ノルマンディーにはこれらのコンポーネントの一部が取り付けられていました。

しかし、フランスとソビエト連邦のものは、現代のレーダーと関連づけられるようになったピーク性能を提供するには不十分な連続波運用を特徴としていました。

さらに、1934年12月、アメリカ人のロバート・M・ウィルソンが最初の単純な装置を披露した。

海軍の実験的試験と評価のページ。

この設計に続いて、1935年5月にルドルフ・キューンホルトとドイツのGEMA社によってパルスシステムがデモンストレーション され、1935年6月にはイギリスのロバート・ワトソン・ワットが率いる航空省のチームによって別のシステムが実証されました。

1935年、ワトソン・ワットはドイツの無線による死の光線の報告を評価する任務をウィルキンスに委任した。ウィルキンスは、システムが機能するはずがないことを示すいくつかの数字を送り返しました。ワトソン・ワットがこのシステムの潜在的な用途について質問した際、ウィルキンスは電波干渉の発生源として航空機を挙げた。この発見は、1935年2月26日に行われたダヴェントリー実験に結実し、GPO受信機と強力なBBC短波送信機が設置された野原を爆撃機が飛行した。供給・研究担当の航空隊員であるヒュー・ダウディングは、航空機の探知に成功した後、そのシステムの可能性に感銘を受け、継続的な運用開発のための資金提供を即座に承認しました。

1936年9月1日、ワトソン・ワットがサフォーク州フェリックスストウ近郊のボージー・マナーにあるイギリス航空省の新しいボージー研究所の所長に任命されたとき、レーダー技術の進歩が始まった。彼らの努力により、1939年に第二次世界大戦が勃発したとき、イングランドの東海岸と南海岸沿いにある「チェーンホーム」の空気探知および追跡ステーションは、使用する準備が整いました。このシステムがなければ、イギリス空軍は、イギリスが迅速に対応するために、常に多数の戦闘機を空中で必要とし、バトル・オブ・ブリテンに敗れたでしょう。イギリスは、ドイツ軍機を探知するために地上の個人の観察だけに頼らざるを得なかったら、バトル・オブ・ブリテンに負けていたかもしれません。敵機の報告をまとめ、対応を調整する「ダウディングシステム」では、レーダーが両方のプロセスで重要な役割を果たしました。

実用レーダーシステムの開発と製造に必要な資源が与えられると、1935年に配備を開始した。1936年に最初の5つのチェーンホーム(CH)システムが稼働し、1940年までにはイギリス全土と北アイルランドをカバーしました。CHは当時としては初歩的なものでした。集束アンテナから送受信するのではなく、前方の領域を信号で照らし、ワトソン所有のワットの無線方向探知機の1つを使用して反射信号の発生源を特定しました。そのため、CH送信機には、競合するシステムのアンテナよりも強力で高品質のアンテナが必要でしたが、既存のインフラのおかげで迅速な展開が可能になりました。

英国で開発されたキャビティマグネトロンは、サブメートルの精度が可能なコンパクトなシステムの開発を可能にしました。1940年のティザード・ミッションの際、英国は米国にこの技術を提供した。

戦時中のレーダーには、より高い解像度、携帯性、機能性が求められ、イギリス空軍のパスファインダー航空機が頼りにしていた補助航法システムオーボエなどの新技術の開発が促されました。

レーダーは、レーダースキャナーから方位と範囲を提供することで、何かがどこにあるかを知ることができます。その結果、正確な測位が絶対に必要な場所で広く使用されています。レーダーは、陸、空、海の脅威を探知するために軍によって最初に使用されました。その結果、航空機、船舶、自動車への応用が民間部門で生まれました。一般的なセキュリティ機能には、自動ドア開閉、照明、侵入者検出などがあります。

レーダーシステムの送信機は、電波の信号(レーダー信号)を所定のパターンで送信します。これらの波が物体に衝突すると、その一部は全方向に反射または散乱し、他の波は物体に吸収されて内部の奥深くまで移動します。ほとんどの金属、水、湿った地面などの電気伝導率の高い材料は、レーダー信号の優れた反射体です。このため、状況によってはレーダー高度計を使用できます。レーダー検出が行われるには、反射されたレーダー信号がレーダー受信機に到達する必要があります。ドップラー効果により、物体が送信機に近づくか遠ざかるかによって、電波の周波数がわずかにシフトします。

レーダー受信機はレーダー送信機の近くに配置されるのが一般的ですが、常にそうであるとは限りません。受信アンテナで反射されて拾われるレーダー信号は、通常、非常に弱いです。電子増幅器を使用してそれらを増幅できます。レーダー信号は、より複雑な信号処理技術を使用して復元されます。

レーダーシステムは、可視光線、赤外光線、紫外線などの他の電磁波長とは異なり、電波が通過する媒体によって弱く吸収されるため、比較的長い距離で物体を検出できます。霧、雲、雨、雪、みぞれはすべて、視界を遮る可能性があるが電波を通過させる気象現象の例です。水蒸気、雨滴、大気ガス(特に酸素)は、特定の無線周波数を吸収または散乱するため、レーダーを設計する際にはこれらを避けます。

レーダーは、太陽や月からの自然光や、対象物自体から放出される電磁波(EMW)(赤外線など)を使用する代わりに、独自の送信を使用してそれらを検出および追跡します(熱)。人間の目も光学カメラも電波を見ることはできませんが、人工的に物体を照らすために使用することができます。

電磁波は、材料が一方を通過し、誘電率または反磁性定数の異なる材料に遭遇すると、材料間の境界で反射または散乱します。レーダー(電波)は、通常、固体物体の表面から空気中や真空中、または物体とその周囲との間に原子密度の差が大きい場合に散乱されます。レーダーは、金属や炭素繊維などの導電性材料でできているため、航空機や船舶の検出に特に効果的です。軍用車両には、レーダーの反射を減らすために、抵抗性物質、場合によっては磁性物質で構成されるレーダー吸収材料があります。夜に目で見えないものを作りたいなら、電波でこれをやる。

レーダー波の大きさ(波長)とターゲットの形状によって、レーダー波の散乱の仕方が決まります。波長がターゲットのサイズよりも小さい場合、波は鏡に反射する光のように反射します。波長がサイズよりも大幅に長い場合、ターゲットが見えなくなる可能性があります。共振は、低周波レーダー技術によるターゲットの検出には不可欠ですが、識別には不可欠ではありません。レイリー散乱は、地球の空や夕焼けの色付けに関与する現象で、この現象を説明しています。2つの長さスケールがほぼ同じ場合、共振が発生することがあります。最近のレーダーシステムの多くは、パンほどの小さな物体を画像化できる短い波長(数センチメートル以下)を使用していますが、初期のレーダーはターゲットよりも長い波長を使用していたため、信号が曖昧でした。

曲がり角やカーブからの短い電波の反射は、ガラスの球体からのきらめきに似ています。

短波長で最も反射率の高いターゲットは、反射面間の角度が90°です。

コーナーリフレクターには、立方体の内部のように、直角に交わる3つの平行な面があります。

構造物の開口部を通過する波は、来た方向と同じ方向に反射されます。

これらはレーダーリフレクターとして頻繁に使用され、他の方法では困難なターゲットの検出可能性を向上させます。

例えば、コーナーリフレクター付きのボートは、視認性を高め、救助活動や衝突回避に役立ちます。

同様に、内側の角や、検出方向に対して垂直な表面/エッジは、検出を回避するように設計されたオブジェクトの特性ではないため、ステルス航空機は「奇妙」に見えてしまいます。

これらの対策を講じても、回折による反射は発生し、波長が大きくなるほど反射が大きくなります。

籾殻に似た波長の半分に等しい長い導電性のワイヤーまたはストリップは、多くの光を反射しますが、そのエネルギーを元の場所に送り返すことはありません。

レーダー断面積は、物体が電波をどれだけ反射または散乱するかを測定します。

受信アンテナに戻る電力Prは、次式で与えられます。

{\displaystyle P_{r}={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}}{{(4\pi )}^{2}R_{t}^{2}R_{r}^{2}}}}

どこ

Pt = 送信機電力

Gt = 送信アンテナのゲイン

Ar = 受信アンテナの有効開口(面積);これは次のように表すこともできます {{G_{r}\lambda ^{2}} \over {4\pi }} 。

\lambda = 送信波長

Gr = 受信アンテナの利得

σ = ターゲットのレーダー断面積、散布界係数

F = パターン伝播の係数

Rt = 送信機からターゲットまでの距離

Rr = ターゲットからレシーバーまでの距離

送信側と受信側の両方が物理的に同じ場所にある場合、Rt = Rrであり、Rt² Rr²という用語はR4に置き換えることができます(Rは範囲を示します)。

これにより、次のようになります。

P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}} \over {{(4\pi )}^{2}R^{4}}}.

受信電力が範囲の4乗として減衰することを考えると、微弱な信号は極端に遠くのターゲットからしか検出できません。

パルスドップラーレーダーの検出範囲を改善し、送信電力を減少させるために、レーダー方程式はフィルタリングとパルス積分を追加することによってわずかに変更されています。

真空中での干渉のない伝送の場合、上記の式はF = 1に単純化できます。伝搬係数は、マルチパスやシャドウイングなどの環境要因を考慮に入れます。パスロス効果は、現実の世界でも考慮されます。

レーダーと反射板の間の距離が変化すると、結果として周波数が変化します。これが検出にどのように影響するかによって、レーダーの性能が低下したり向上したりする可能性があります。たとえば、移動ターゲット表示が特定の視線速度でドップラーと相互作用すると、信号の劣化が発生します。

ドップラー効果は、海上レーダーシステム、セミアクティブレーダーホーミング、アクティブレーダーホーミング、気象レーダー、軍用機、およびレーダー天文学の性能を向上させるために使用されます。検出プロセス中に、ターゲットの速度に関するデータが生成されます。これにより、近くに比較的動きの遅い、はるかに大きなサイズの物体がある環境で、小さな物体を検出することもできます。

レーダーのアクティブまたはパッシブの設定によって、ドップラー効果の量が決まります。アクティブなレーダーシステムからの信号はブロードキャストされ、反射されて受信されます。パッシブレーダーが機能するためには、物体が受信アンテナに信号を能動的に送信する必要があります。

運用レーダーの場合、ドップラー周波数シフトは次のようになります:ここで、 F_{D} はドップラー周波数、 F_{T} は送信周波数、 V_{R} は視線速度、 C は光速です。

F_{D}=2\times F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right) .

電波天文学と電子対抗手段の両方が、パッシブレーダーの恩恵を受けることができます。

F_{D}=F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right) .

速度で重要なのは半径方向の部分だけです。レーダービームに対して90度の角度では、リフレクタの相対速度はゼロです。ドップラー周波数のシフトは、レーダービームに対して垂直に移動するターゲットで最大になります。

送信周波数( F_{T} )がパルス化されると、パルスリピート周波数 F_{R} を使用して、結果として得られる周波数スペクトルには、 F_{T} 距離が の上下の高調波周波数が含まれます F_{R} 。

つまり、ドップラー測定は、ドップラー周波数シフト F_{R} がナイキスト周波数の半分未満である場合にのみ曖昧ではなく、適切な名前を付けるために、この条件がないと、返される周波数が高調波周波数の加算または減算と区別できなくなるため、次のことが必要です。

{\displaystyle |F_{D}|<{\frac {F_{R}}{2}}}

または、次のように F_{D} 置き換える場合:

{\displaystyle |V_{R}|<{\frac {F_{R}\times {\frac {C}{F_{T}}}}{4}}}

たとえば、秒速 1,000 メートルで飛行する航空機は、脈拍数が 2 キロヘルツ、送信周波数が 1 ギガヘルツのドップラー気象レーダーで視線速度 (2,200 mph) を正確に測定するには速すぎます。

波の偏光である電界は、電磁放射の伝搬方向に対して常に垂直です。宇宙空間に送られるレーダー信号は、偏波を操作することで外観を変えることができます。レーダーは、水平偏波、垂直偏波、直線偏波、円偏波を切り替えることができるため、さまざまな反射を検出できます。たとえば、円偏波は、降水が信号に与える影響を軽減するために使用されます。ほとんどの場合、金属表面は直線偏光リターンによって識別できます。航法レーダーは、通常、岩石や土壌などのフラクタル表面を示すランダム偏波リターンを使用します。

空気の屈折率の違いにより、レーダーの地平線により、レーダービームは真空中でその直線経路からわずかに逸脱します。ビームは、地面に対して垂直に放射されている場合でも、地球の曲率のために地面から上昇します。さらに、ビームが拡散し、信号が媒体を通過するにつれて弱くなります。

いくつかの要因により、従来のレーダーの最大射程が制限されます。

高度の影響を受ける視程。ビームの経路の邪魔になるものがある場合、それは通過しません。

意味が失われず、送信されるパルスの周波数によってのみ制限される範囲。パルスの曖昧さのない最大範囲は、別のパルスを放射する前にパルスが移動および戻ることができる最大距離です。

レーダー感度とリターン信号の強度を計算するためのレーダー方程式。この側面では、天候やターゲットの寸法(レーダー断面積)などの変数が考慮されます。

すべての電子部品は、「信号ノイズ」と呼ばれる信号のランダムな変動に寄与します。

ノイズは、反射信号が距離とともに指数関数的に弱まるため、レーダーの範囲を制限します。範囲などのパフォーマンス指標は、ノイズフロアとS/N比の両方の影響を受けます。遠くのリフレクタからの信号は、バックグラウンドノイズレベルを超えないため、弱すぎて検出できません。検出される信号は、少なくともバックグラウンドノイズレベルを超える信号対雑音比と同じ大きさでなければなりません。

レーダー受信機では、ノイズは予想されるエコー信号に重ね合わされた不規則な変動として現れます。微弱な信号とバックグラウンドノイズを区別することは、より困難です。最良の結果を得るには、ノイズ指数で測定されるレシーバのノイズを可能な限り最小限に抑える必要があります。

すべての検出器は、電子がギャップまたは障壁を通過することによって引き起こされるショットノイズを経験します。ほとんどの受信機の主なノイズ寄与は、ショットノイズに起因します。ヘテロダイン増幅は、増幅デバイスを通過する電子によって生成されるフリッカーノイズを低減するために使用されます。ヘテロダイン処理のもう1つの利点は、瞬時帯域幅が所定のフラクショナル帯域幅の周波数に比例して増加することです。その結果、範囲分解能が向上します。しかし、超広帯域レーダーは、一般的なヘテロダイン(ダウンコンバージョン)レーダーシステムとは大きく異なります。超広帯域 (UWB) 通信 (UWB